基于聲場控制技術(shù)的鐵路客站廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化

何泉勃

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

0 引 言

作為大型建筑音質(zhì)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要新技術(shù)，聲場控制技術(shù)近年來在歐美、日本等發(fā)達(dá)地區(qū)日益引起人們的重視。該技術(shù)利用電聲方法，結(jié)合建筑裝修條件，對混響時(shí)間和反射聲等室內(nèi)聲場特性進(jìn)行控制，以追求更高的語言清晰度、均勻的聲壓分布以及良好的聲音自然感?，F(xiàn)代電聲技術(shù)，尤其是數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，使得對聲音信號(hào)附加混響和信號(hào)延遲更易實(shí)現(xiàn)，從而也使得聲場控制技術(shù)獲得愈加廣泛的應(yīng)用。

目前，國內(nèi)外鐵路已有聲場控制的基礎(chǔ)理論，但由于我國鐵路客站尤其是特大型站空間體量巨大，通?？蛇_(dá)百萬立方米級(jí)別，屬于超大體積空間，聲音平均自由程遠(yuǎn)超一般廳堂，因此此類規(guī)模的聲學(xué)理論研究與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)相對有限。此外，由于車站聚集人員眾多、背景噪聲大，加之實(shí)際設(shè)計(jì)建設(shè)中，揚(yáng)聲器的選型、布局有時(shí)不盡合理，造成聲波多次反射延遲，會(huì)引起聲音疊加、聚焦、共振甚至回聲等現(xiàn)象，降低聲音清晰度和聲像定位，嚴(yán)重影響旅客的聽覺感受和運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量。因此，如何利用聲場控制技術(shù)，通過聲場模擬和仿真測試優(yōu)化鐵路客站廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以保證較好的音響效果，顯得極為重要。

1 聲場控制技術(shù)

傳統(tǒng)的擴(kuò)聲技術(shù)采用功率放大器將聲源所發(fā)出的較弱聲音信號(hào)進(jìn)行接收、放大，并通過揚(yáng)聲器傳播給聽眾。而聲場控制作為一種先進(jìn)的有源控制技術(shù)，是對廳堂音質(zhì)進(jìn)行電聲控制，使之產(chǎn)生所需的聲場特性。從廣義上說，聲場控制技術(shù)按照控制對象的不同可分為聲場合成、聲場效果以及聲場支援3 類[1]。

1.1 聲場合成

聲場合成是一種基于物理聲場精確重構(gòu)的聲音重現(xiàn)方法。它以惠更斯原理為基礎(chǔ)，可在消聲或強(qiáng)吸聲處理的房間內(nèi)創(chuàng)造任意聲場，能夠?yàn)槁牨妿沓两降囊纛l體驗(yàn)[2]，主要應(yīng)用于樂器研究開發(fā)、音響設(shè)計(jì)、專業(yè)錄音及虛擬會(huì)議等。

1.2 聲場效果

聲場效果主要是指在音樂劇場或影院內(nèi)獲得一定聲場的演出效果[1]。其控制對象包括舞臺(tái)空間音質(zhì)、劇場環(huán)繞感等，其研究方向?qū)Ｗ⒂趧鲇霸鹤匀欢鴱?qiáng)烈的音效以及音視頻同步控制等。

1.3 聲場支援

聲場支援定義為根據(jù)既成的室內(nèi)建筑條件進(jìn)行廣播系統(tǒng)音響的音量感、混響感、空間感及自然感等的控制[1]。通?？蓮慕ㄖ晫W(xué)和電聲技術(shù)兩方面對室內(nèi)聲場或音質(zhì)進(jìn)行有效控制，體現(xiàn)在具體技術(shù)參數(shù)上，則是結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)和裝修材料，利用電聲方法對廳堂內(nèi)的各項(xiàng)聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行控制，以達(dá)到與建筑條件和應(yīng)用場景相適應(yīng)的音響效果。對于工程設(shè)計(jì)建設(shè)，特別是鐵路客站、體育館、禮堂、多功能廳等大體積空間，聲場控制往往是指聲場支援。

2 聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)

聲學(xué)評(píng)價(jià)的主流指標(biāo)包括混響時(shí)間、聲壓級(jí)、聲場不均勻度、傳輸頻率特性以及語音傳輸指數(shù)等。針對鐵路客站大空間居多、背景噪聲明顯的特征，應(yīng)備聲壓級(jí)、聲場不均勻度、漏出聲衰減以及語音清晰度是評(píng)價(jià)一個(gè)廣播系統(tǒng)健壯性的主要標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 應(yīng)備聲壓級(jí)

在廣播服務(wù)區(qū)內(nèi)，穩(wěn)態(tài)下應(yīng)能具備的廣播聲壓級(jí)的有效平均值，被稱為應(yīng)備聲壓級(jí)[3]。如該項(xiàng)指標(biāo)不達(dá)標(biāo)，將直接導(dǎo)致廣播系統(tǒng)形同虛設(shè)，廣播聲音被背景噪聲所抵消。一般情況下，要求應(yīng)備聲壓級(jí)高于背景噪聲9 dB 以上。

2.2 聲場不均勻度

聲場不均勻度是指在廣播服務(wù)區(qū)各處測量聲壓級(jí)，所能測得的最大差值[3]。它用來反映音質(zhì)差異。不均勻度越小，意味著聽音區(qū)的聲場強(qiáng)度一致性越好。在鐵路客站，旅客聚集位置和高度是廣播系統(tǒng)的重點(diǎn)聽音區(qū)，要首先保證此類位置的均勻度。

2.3 漏出聲衰減

漏出聲衰減定義為：廣播系統(tǒng)應(yīng)備聲壓級(jí)與距離廣播服務(wù)區(qū)界限以外30 m 處的聲壓級(jí)之間的差值[3]。該指標(biāo)反映廣播系統(tǒng)對服務(wù)區(qū)外的影響程度，指標(biāo)設(shè)置的目的是將電聲資源集中應(yīng)用于服務(wù)區(qū)內(nèi)，從而降低對服務(wù)區(qū)外的干擾。

2.4 語音傳輸指數(shù)

語音傳輸指數(shù)（Speech Transmission Index，STI）是評(píng)價(jià)語言可懂度的客觀參量，是基于語言信號(hào)調(diào)制指數(shù)在傳輸過程中的變化而導(dǎo)出的[3]。該指標(biāo)用以衡量人耳分辨語音的程度，決定了旅客是否能夠聽到有效音頻，而不是無意義的噪聲。語音傳輸指數(shù)STI 普遍使用Peutz 公式進(jìn)行預(yù)測計(jì)算：

式中：D2為揚(yáng)聲器與最遠(yuǎn)聽眾距離，T60為混響時(shí)間，N為揚(yáng)聲器數(shù)量，Q為揚(yáng)聲器指向性因子，V為廳堂容積；M為臨界距離Dr修正值，一般取值為1。

從公式可以看出，在站房空間、工程投資一定的情況下，可通過分散供聲（即減小D2值），定向傳聲（即增大Q值）或增加總吸聲量（即減小混響時(shí)間T60值）的方式提高語音清晰度。

現(xiàn)行《公共廣播系統(tǒng)工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50526—2021）對業(yè)務(wù)廣播系統(tǒng)電聲性能指標(biāo)的規(guī)定如表1 所示。

表1 業(yè)務(wù)廣播系統(tǒng)電聲性能國家標(biāo)準(zhǔn)

目前，鐵路行業(yè)暫無客站聲場標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)原鐵道部相關(guān)部門組織研究積累的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，一般認(rèn)為混響時(shí)間小于6 s，STI 值大于0.4，主觀評(píng)價(jià)的廣播語音效果就比較清晰。該評(píng)價(jià)大致可對應(yīng)國標(biāo)中的二級(jí)業(yè)務(wù)廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。

鐵路客運(yùn)部門采用主動(dòng)廣播模式實(shí)時(shí)向車站旅客和工作人員發(fā)布到發(fā)通告信息，并在發(fā)生火災(zāi)、地震等緊急情況下播放應(yīng)急廣播[4]，可引起包括視覺殘疾在內(nèi)的全體旅客注意，在旅客綜合信息系統(tǒng)中扮演重要的角色。但如果播報(bào)信息音量小、音效差，則這些重要作用將無從談起。因此，根據(jù)上述理論基礎(chǔ)可知，鐵路客站聲學(xué)設(shè)計(jì)的原則是在保證聲壓級(jí)達(dá)標(biāo)的前提下，盡量減少混響時(shí)間和不同廣播分區(qū)之間的聲音交叉干擾，降低聲場不均勻度，提升語言清晰度，將關(guān)鍵信息清晰準(zhǔn)確地傳達(dá)給聽眾。

3 聲場仿真設(shè)計(jì)

揚(yáng)聲器的數(shù)量、布點(diǎn)及選型直接影響服務(wù)區(qū)內(nèi)的聲場效果，并與工程投資緊密相關(guān)。廣播系統(tǒng)的其他組成部分，諸如控制處理設(shè)備、功率放大器及系統(tǒng)布線等，也需基于揚(yáng)聲器的配置方案開展設(shè)計(jì)[5]。因此，設(shè)計(jì)廣播系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮揚(yáng)聲器選型及布點(diǎn)問題。

工程設(shè)計(jì)階段，鐵路客站尚未開始建設(shè)，但建筑裝修的設(shè)計(jì)出圖時(shí)間先于廣播系統(tǒng)，因此可基于聲學(xué)理論，采用計(jì)算機(jī)仿真軟件構(gòu)建建筑模型，貼附裝修材質(zhì)，模擬不同揚(yáng)聲器和布置方案下的客觀聲學(xué)指標(biāo)，進(jìn)行對比分析。依據(jù)分析結(jié)果評(píng)判聲場音質(zhì)概況，從而確定揚(yáng)聲器選型、布點(diǎn)及安裝角度的合理性，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。本文以南寧東站為例進(jìn)行聲場仿真設(shè)計(jì)。

4 仿真測試軟件

優(yōu)秀的仿真測試軟件可充分還原建聲環(huán)境，準(zhǔn)確反映揚(yáng)聲器選型和布點(diǎn)方案所產(chǎn)生的聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)，提供量化處理結(jié)果，并展示清晰的可視化界面。自20 世紀(jì)90 年代以來，國際知名的聲學(xué)設(shè)計(jì)公司和高校研究所相繼開發(fā)出多種聲場仿真測試軟件，并不斷完善算法、更新?lián)Q代。比較知名的軟件有美國BOSE 公司的The BOSE Speaker，飛利浦公司的The PHD Program，丹麥技術(shù)大學(xué)的Odeon以及德國ADA 公司的EASE 等軟件。

其中，EASE 軟件的揚(yáng)聲器數(shù)據(jù)庫涵蓋了眾多主流廠商的系列產(chǎn)品，在大空間環(huán)境下的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果較為接近，較其他同類軟件功能更為豐富、模擬精度高、操作維護(hù)簡單，在近年來的國際聲學(xué)行業(yè)對比論證中得到多方認(rèn)可，具有較高的可信度，已得到廣泛應(yīng)用。因此，本文采用EASE軟件進(jìn)行南寧東站的聲場建模和仿真測試。

5 建聲環(huán)境分析

南寧東站站房面積約12 萬m2，覆蓋13 個(gè)站臺(tái)，由高架層、站臺(tái)層、出站層及高架夾層等構(gòu)成，設(shè)有進(jìn)站集散廳4 處、售票廳4 處、檢票口22 個(gè)、候車區(qū)12 個(gè)，以及貴賓廳、旅客服務(wù)廳若干，旅客高峰小時(shí)發(fā)送量約1.8 萬人。

其中，高架候車廳開間414 m，進(jìn)深150 m，高度23 m，體積約142 萬m3，運(yùn)營期平均背景噪音約75 dB。室內(nèi)以灰麻石材鋪墊地面，墻面以白麻/玻璃幕墻為主，頂棚為鋁合金面板裝飾。主要裝飾材料的吸音系數(shù)如表2 所示。

表2 主要裝飾材料的吸音系數(shù)

模擬分析需考慮反射音、間接音、吸音材料及墻壁等影響因素，避免因裝修條件不同而影響仿真測試結(jié)果。此處以典型的高架候車區(qū)為例建立三維模型，聽聲高度設(shè)定為1.2 m，完成對應(yīng)備聲壓級(jí)、聲場不均勻度、漏出聲衰減以及語音清晰度等指標(biāo)的仿真測試。南寧東站高架候車區(qū)實(shí)景如圖1所示，三維建模如圖2 所示。

圖1 高架層實(shí)景圖

圖2 高架層三維建模

6 仿真測試比選

從聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)要求可知，前端設(shè)備選型應(yīng)根據(jù)所在區(qū)域的空間結(jié)構(gòu)，盡量選擇聲壓級(jí)較高、聲場均勻度較好的揚(yáng)聲器；布置設(shè)備時(shí)，應(yīng)符合分散供聲和定向傳聲的原則，以提高語音清晰度。

由于南寧東站高架候車區(qū)室內(nèi)空間巨大、吊頂高、開間寬，無法選用吸頂式揚(yáng)聲器，如采用傳統(tǒng)的壁掛式揚(yáng)聲器，可能導(dǎo)致候車廳兩側(cè)聲壓級(jí)過大而中部聲壓級(jí)過低的情況出現(xiàn)。因此，考慮采用指向性或有源線陣列揚(yáng)聲器。其中，指向性揚(yáng)聲器能定向發(fā)射聲波，傳播距離較遠(yuǎn)，并可產(chǎn)生虛擬聲源[6]；有源線陣列揚(yáng)聲器具有聲場覆蓋均勻、垂直指向性強(qiáng)及聲能衰減較小等特點(diǎn)，可通過內(nèi)置的DSP 數(shù)字音頻處理器和多通道功率放大器有效控制頻率均衡及延時(shí)，監(jiān)測背景環(huán)境噪聲，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出增益或衰減。兩者的特性對比如表3 所示。

表3 揚(yáng)聲器特性對比

針對高架候車區(qū)建筑裝飾材料特性，選擇上述2 種揚(yáng)聲器作為比選方案，將其分別導(dǎo)入三維模型中進(jìn)行布局，通過設(shè)定軟件參數(shù)，選取對清晰度貢獻(xiàn)較大（接近70%）的3 個(gè)倍頻帶500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz 作為仿真聲波的輸入頻率完成測試，生成測試數(shù)據(jù)和聲壓分布圖、柱狀圖以及輔音清晰度損失率分布圖等指標(biāo)性圖表，用于選取聲學(xué)評(píng)價(jià)更優(yōu)的方案以指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)，具體情況如下。

6.1 方案一——指向性揚(yáng)聲器

特大型站高架層候車廳揚(yáng)聲器多設(shè)于立柱、側(cè)壁或高度適宜且便于安裝的位置，一般不懸掛在吊頂處。根據(jù)分散供聲原則，結(jié)合南寧東站候車區(qū)開間大小和旅客聽聲高度，統(tǒng)一選用50 W 指向性揚(yáng)聲器，設(shè)置在檢票口結(jié)構(gòu)頂部（高度約5 m），角度調(diào)向各站臺(tái)候車區(qū)進(jìn)行對射，相鄰揚(yáng)聲器橫向間距為63 m，縱向間距為22 m/33 m，使得服務(wù)區(qū)與聲源的平均距離較短，能充分獲得直達(dá)聲。由于聲場內(nèi)由揚(yáng)聲器發(fā)出的聲能中，對語言清晰度起主導(dǎo)作用的是直達(dá)聲部分，因此采用此布局更有利于削弱混響聲的干擾，保障語言清晰度。方案一在仿真測試軟件內(nèi)的截圖如圖3 所示，其中小方格示意50 W指向性揚(yáng)聲器，放射狀粗線段示意聲場覆蓋范圍及指向。

圖3 方案一在仿真測試軟件的截圖

軟件參數(shù)的設(shè)置選項(xiàng)較為豐富，主要包括聲壓級(jí)（SPL）、相位（Phase）、濾波、揚(yáng)聲器類型及坐標(biāo)等參數(shù)，如圖4 所示。

圖4 方案一軟件參數(shù)設(shè)置

通過仿真測試可自動(dòng)生成直達(dá)聲聲壓級(jí)、應(yīng)備聲壓級(jí)、語音傳輸指數(shù)（STI）及漏出聲衰減等各項(xiàng)聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表4 所示，并以直觀的分布圖、柱狀圖的形式加以呈現(xiàn)，如圖5、圖6 所示。

表4 方案一聲場模擬結(jié)果比照

圖5 1 000 Hz 應(yīng)備聲壓級(jí)分布圖

圖6 1 000 Hz 應(yīng)備聲壓柱狀圖

由表4 可知，方案一應(yīng)備聲壓級(jí)偏小，聲場不均勻度偏高，漏出聲衰減偏小，語音清晰度偏低，仿真測試結(jié)果不滿足國標(biāo)二級(jí)業(yè)務(wù)廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

6.2 方案二——有源線陣列揚(yáng)聲器方案

相鄰揚(yáng)聲器的布設(shè)間距會(huì)對聲場不均勻度、語言清晰度及混響時(shí)間等產(chǎn)生影響。通常情況下，布設(shè)間距越大，揚(yáng)聲器之間的交叉影響越小，混響時(shí)間越短，語言清晰度也就越高。然而，在增大間距的同時(shí)，也會(huì)帶來聲場均勻度變差、服務(wù)區(qū)內(nèi)信噪比降低等問題。

因此，綜合考慮揚(yáng)聲器功率、指向特性、覆蓋角度、聲場均勻度以及語音清晰度等因素，選用 500 W 線陣列揚(yáng)聲器，安裝在結(jié)構(gòu)柱4 m 高處，以減小收聽區(qū)域與聲源間的距離，達(dá)到聲源有效半徑之內(nèi)。揚(yáng)聲器采用“Z”字型排列分散式布局，在保證聲場均勻度和信噪比的前提下適當(dāng)拉開間距，相鄰設(shè)置點(diǎn)的柱間距在108～122 m，設(shè)備布置如圖7 所示，圖中小方格用于示意500 W 線陣列揚(yáng)聲器，放射狀粗線段用于示意聲場覆蓋范圍及指向。如此布局，既能保證候車廳內(nèi)各聽音位置都能獲得均勻的響度和語音清晰度，又可為工程節(jié)約成本。此外，在線陣列揚(yáng)聲器聲場覆蓋較弱的區(qū)域，適當(dāng)增加小型輔助揚(yáng)聲器作為補(bǔ)充，從而實(shí)現(xiàn)高架候車區(qū)聲場全覆蓋。

圖7 方案二仿真測試軟件截圖

采用前文所述的仿真測試過程，方案二通過軟件參數(shù)設(shè)定，即可生成各項(xiàng)聲學(xué)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)果如表5 所示，相應(yīng)的指標(biāo)分布圖和柱狀圖如圖8、圖9 所示。

圖8 方案二語音傳輸指數(shù)分布圖

圖9 方案二語音傳輸指數(shù)柱狀圖

由表5 可知，方案二的應(yīng)備聲壓級(jí)、聲場不均勻度、漏出聲衰減及語音清晰度等性能指標(biāo)的仿真測試結(jié)果均滿足國標(biāo)二級(jí)業(yè)務(wù)廣播系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求。仿真測試結(jié)果說明，方案二的各項(xiàng)電聲性指標(biāo)均優(yōu)于方案一，設(shè)備選型和布局更適合高架候車區(qū)應(yīng)用場景，可指導(dǎo)該區(qū)域揚(yáng)聲器選型和布點(diǎn)設(shè)計(jì)。

表5 方案二聲場模擬結(jié)果比照

7 設(shè)計(jì)優(yōu)化及聲場檢測驗(yàn)證

類似地，利用EASE 軟件對進(jìn)站集散廳、售票廳及出站廳等大空間區(qū)域的揚(yáng)聲器比選方案依次進(jìn)行仿真測試，即可根據(jù)測試結(jié)果實(shí)現(xiàn)對南寧東站廣播系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)優(yōu)化。優(yōu)化后，站房各區(qū)域揚(yáng)聲器選型及布點(diǎn)原則總結(jié)如表6 所示。

表6 南寧東站各區(qū)域揚(yáng)聲器選型布點(diǎn)表

南寧東站廣播系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案現(xiàn)已付諸實(shí)施，并通過國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的專業(yè)檢測，聲場覆蓋范圍、應(yīng)備聲壓級(jí)、聲場不均勻度以及語音傳輸指數(shù)等指標(biāo)的實(shí)測數(shù)據(jù)均滿足國家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求，系統(tǒng)運(yùn)行至今語音清晰、聲場效果良好。

8 結(jié) 語

通過南寧東站的工程實(shí)踐證明，聲場控制技術(shù)可為鐵路客站廣播系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供標(biāo)準(zhǔn)化、低成本、依據(jù)性較強(qiáng)的理論參考，并利用計(jì)算機(jī)模擬仿真得到充分論證，能夠很大程度上修正盲目依靠經(jīng)驗(yàn)、脫離實(shí)際、刀耕火種的傳統(tǒng)做法，提升聲學(xué)設(shè)計(jì)水平；同時(shí)保證了基建工程一步到位的聲場效果，避免運(yùn)營使用中因不滿足實(shí)際需要而導(dǎo)致的工程二次投資，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，由于目前鐵路客站墻面和地面多采用大理石、玻璃幕墻、金屬型材等吸音系數(shù)較低的裝飾材質(zhì)，導(dǎo)致大空間混響時(shí)間長，駐波嚴(yán)重，建聲環(huán)境較差。建議在今后的工程設(shè)計(jì)建設(shè)中，適時(shí)將聲場分析結(jié)論反饋建筑裝修專業(yè)，爭取在滿足功能及美觀要求的基礎(chǔ)上，盡量選用吸音效果較好的材質(zhì)或進(jìn)行吸音處理，從而改善鐵路客站室內(nèi)聲環(huán)境，進(jìn)一步提升廣播音效，為旅客提供更好的服務(wù)。